Java中的NIO基础知识

时间：2024-01-04 10:07:14

上一篇介绍了五种NIO模型，本篇将介绍Java中的NIO类库，为学习netty做好铺垫

Java NIO 由3个核心组成，分别是Channels,Buffers,Selectors。本文主要介绍着三个部分。

Channel

所有的I/O都从一个Channel开始。通道与流不同，通道是双向的，流是单向的。

即可以从通道中读取数据，也可以写数据到通道里 。

读的话，是从通道读取数据到缓冲区，写的话是从缓冲区写入数据到通道。

四种通道：

  • FileChannel.从文件中读写数据
  • DatagramChannel.通过UDP协议，读写网络中的数据
  • SocketChannel,能通过TCP协议来读写网络中数据,常用于客户端
  • ServerSocketChannel。监听TCP连接，对每个新进来的连接会创建一个SocketChannel。

Buffer

Java NIO中的Buffer用于NIO通道进行交互。

缓冲区本质上一块可以写入数据，也可以从中读取数据的内存。也就是堆外内存，也叫直接内存。

当向Buffer写入数据时，Buffer会记录下写了多少数据，一旦要读取数据，需要通过flip（）方法将Buffer从写模式切换到度模式。

在读模式下，可以读取之前写入到Buffer的所有数据。

一旦读完了所有数据，就需要情况缓存区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区，调用clear（）或者compact（）方法。

clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

任何未读的数据将被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放大缓冲区未读数据的后面。

Java中的NIO基础知识

Buffer的capacity，position和limit

capacity

capacity作为一个内存块，buffer有一个固定的大小值，也叫capacity,只能向内存中写入byte，long，char等类型。一旦Buffer满了，需要将其清空。

position

当写数据到Buffer中是，position表示当前的位置。初始的position值为0，当一个byte，long等数据写到buffer后，position会向前移动到下一个可插入数据的单元。positon最大可谓capacity-1.

当读取数据时，也是从特定位置读。将Buffer从写模式切换到读模式，positon会被重置0，当从Buffer的position处读取数据时，position向前移动到想一个可以读的位置。

limit

在写模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。写模式下，limit等于buffer的capacity

Buffer的分配

要想获得一个Buffer对象首先要进行分配。 每一个Buffer类都有一个allocate方法。下面是一个分配48字节capacity的ByteBuffer的例子。

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate();

Selector

Selector（选择器）是Java NIO中能够检测一到多个NIO通道，并能够检测到通道是否为读写事件准备好的的组件。所以Selector可以单个线程处理多个Channel。

为什么使用Selector

Selector能够使用一个线程来处理所有通道。但是对于如今的操作系统和CPU来说，多线程已经较过去效率高了很多。

Selector的创建

1.通过调用Selector.open()方法创建一个Selector

2.将Channel注册到Selector上配合使用，可使用Channel.register方法来实现，如下

            servChannel.configureBlocking(false);

            servChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着FileChannel与Selector不能一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式。

3.通道触发意味着该事件已经就绪。Java中有如下常量对应着通道事件。

  • SelectionKey.OP_CONNECT（连接就绪）：Channel成功连接到另一个服务器
  • SelectionKey.OP_ACCEPT（接收就绪）：Channel准备好接收进入新的连接
  • SelectionKey.OP_READ（读就绪）：Channel有数据可以读
  • SelectionKey.OP_WRITE（写就绪）：Chanel有数据可以写

4.SelectionKey

当向Selector注册Channel时，register（）方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象包含interest集合，ready集合，Channel，Selector，附加的对象（可选）。

interest集合是你所选择的感兴趣的事件集合。可以通过SelectionKey读写interest集合。

ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选择(Selection)之后，你会首先访问这个ready set。

用NIO创建的客户端与服务端：

服务端：

package com.nio;

import java.net.InetSocketAddress;

import java.nio.ByteBuffer;

import java.nio.channels.SelectionKey;

import java.nio.channels.Selector;

import java.nio.channels.ServerSocketChannel;

import java.nio.channels.SocketChannel;

import java.util.Date;

import java.util.Iterator;

import java.util.Set;

public class MutipleexerTimeServer implements Runnable{

    private Selector selector;

    private ServerSocketChannel servChannel;

    private volatile boolean stop = false;

    /**

     * 创建多路复用器，绑定NIO端口

     *

     * @param port

     */

    public MutipleexerTimeServer(int port){

        try{

            selector = Selector.open();

            servChannel = ServerSocketChannel.open();

            servChannel.configureBlocking(false);

            servChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            servChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port),1024);

            System.out.println("the time server start at port: "+port );

        }catch (Exception e){

            e.printStackTrace();

            System.exit(1);

        }

    }

    public void stop(){

        this.stop = stop;

    }

    @Override

    public void run() {

        while (!stop){

            try {

                // selector每隔一秒唤醒一次

                selector.select(1000);

                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

                Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();

                SelectionKey key = null;

                while (it.hasNext()){

                    key = it.next();

                    it.remove();

                    try {

                        handlerInput(key);

                    }catch (Exception e){

                        if (key !=null){

                            key.cancel();

                            if (key.channel() !=null){

                                key.channel().close();

                            }

                        }

                    }

                }

            }catch (Exception e){

                e.printStackTrace();

            }

        }

        // 多路复用器关闭后，所有注册到上面的channel和pipe等资源都不被自动去注册并关闭，所有不需要重复释放资源

        if (selector!=null){

            try {

                selector.close();

            }catch (Exception e){

                e.printStackTrace();

            }

        }

    }

    private void handlerInput(SelectionKey key) throws Exception{

        if (key.isValid()){

            // 处理新接入的请求消息

            if (key.isAcceptable()){

                // Accept the new Connection

                ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();

                // 已完成TCP三次握手

                SocketChannel sc = ssc.accept();

                sc.configureBlocking(false);

                // Add the new connection to the selector

                sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ);

            }

            if (key.isReadable()){

                // Read the data

                SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();

                ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

                int readBytes = sc.read(readBuffer);

                if (readBytes>0){

                    readBuffer.flip();

                    byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];

                    readBuffer.get(bytes);

                    String body = new String(bytes,"UTF-8");

                    System.out.println("server receive order: "+body);

                    String correntTime = "QUERY".equalsIgnoreCase(body)?new Date(System.currentTimeMillis()).toString():"BAD ORDER";

                    doWrite(sc,correntTime);

                }else if (readBytes<0){

                     // 对端链路关闭

                    key.cancel();

                    sc.close();

                }else {

                    ;

                }

            }

        }

    }

    private void doWrite(SocketChannel channel,String response) throws Exception{

        if (response!=null && response.trim().length()>0){

            byte[] bytes = response.getBytes();

            ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);

            writeBuffer.put(bytes);

            writeBuffer.flip();

            channel.write(writeBuffer);

        }

    }

}

package com.nio;

/**

 * 启动类

 */

public class TimeServer {

    public static void main(String args[]){

        int port = 9816;

        MutipleexerTimeServer timeServer = new MutipleexerTimeServer(port);

        new Thread(timeServer,"nit").start();

    }

}

客户端：

package com.nio.client;

import java.io.IOException;

import java.net.InetSocketAddress;

import java.nio.ByteBuffer;

import java.nio.channels.SelectionKey;

import java.nio.channels.Selector;

import java.nio.channels.SocketChannel;

import java.util.Iterator;

import java.util.Set;

/**

 * @author tangj

 * @date 2018/6/14 23:13

 */

public class TimeClientHandle implements Runnable{

    private String host;

    private int port;

    private Selector selector;

    private SocketChannel socketChannel;

    private volatile boolean stop;

    public TimeClientHandle(String host,int port){

        this.host = host;

        this.port = port;

        try{

            selector = Selector.open();

            socketChannel = SocketChannel.open();

            socketChannel.configureBlocking(false);

        }catch (Exception e){

            e.printStackTrace();

            System.exit(-1);

        }

    }

    @Override

    public void run() {

        try{

            doConnect();

        }catch (Exception e){

            e.printStackTrace();

            System.exit(1);

        }

        while (!stop){

            try{

                selector.select(1000);

                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

                Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();

                SelectionKey key = null;

                while (it.hasNext()){

                    key = it.next();

                    it.remove();

                    try {

                        handlerInput(key);

                    }catch (Exception e){

                        if (key!=null){

                            key.cancel();

                            if (key.channel() != null){

                                key.channel().close();

                            }

                        }

                    }

                }

            }catch (Exception e){

                e.printStackTrace();

                System.exit(1);

            }

        }

        // 多路复用器关闭后，所有注册到上面的channel和pipe等资源都不被自动去注册并关闭，所有不需要重复释放资源

        if (selector!=null){

            try {

                selector.close();

            }catch (Exception e){

                e.printStackTrace();

            }

        }

    }

    private void handlerInput(SelectionKey key) throws Exception{

        if (key.isValid()){

            // 判断是否连接成功

            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();

            if (key.isConnectable()){

                if (sc.finishConnect()) {

                    sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                    doWrite(sc);

                }else {

                    // 连接失败

                    System.exit(1);

                }

            }

            if (key.isReadable()){

                ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

                int readBytes = sc.read(readBuffer);

                if (readBytes >0){

                    readBuffer.flip();

                    byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];

                    readBuffer.get(bytes);

                    String body = new String(bytes,"UTF-8");

                    System.out.println("NOW IS： "+body);

                    this.stop = true;

                }else if (readBytes < 0){

                    // 对端链路关闭

                    key.cancel();

                    sc.close();

                }else {

                    ; //读到0字节，忽略

                }

            }

        }

    }

    private void doConnect() throws Exception{

        // 如果直接连接成功，则注册到多路复用器上，发送请求信息，读应答

        if (socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host,port))){

            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                doWrite(socketChannel);

        }else {

            socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_CONNECT);

        }

    }

    private void doWrite(SocketChannel sc) throws IOException{

        byte[] req = "QUERY".getBytes();

        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length);

        writeBuffer.put(req);

        writeBuffer.flip();

        sc.write(writeBuffer);

        if (!writeBuffer.hasRemaining()){

            System.out.println("send order 2 server secceed");

        }

    }

}

package com.nio.client;

/**

 * @author tangj

 * @date 2018/6/14 22:56

 */

public class TimeClient {

    public static void main(String args[]){

        new Thread(new TimeClientHandle("127.0.0.1",9816)).start();

    }

}

参考:

并发编程网

《Netty权威指南》

代码地址：

github

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